第六章電力系統無功功率的平衡和電壓調整

1、第六章第六章 電力系統無功功率的平衡和電壓調整電力系統無功功率的平衡和電壓調整第一節(jié) 概述一、電壓偏移的影響電力系統的電壓和頻率一樣也需要經常調整。由于電壓偏移過電力系統的電壓和頻率一樣也需要經常調整。由于電壓偏移過大時，會影響工農業(yè)生產產品的質量和產量，損壞設備，甚至引大時，會影響工農業(yè)生產產品的質量和產量，損壞設備，甚至引起系統性的起系統性的“電壓崩潰電壓崩潰”，造成大面積停電。，造成大面積停電。影響電力系統電壓的主要因素是無功功率?；疽螅毫私鉄o功功率最優(yōu)分配，無功功率平衡與電壓的基本要求：了解無功功率最優(yōu)分配，無功功率平衡與電壓的關系，掌握電壓調整原理、方法及措施。關系，掌握電壓調整

2、原理、方法及措施。二、無功功率與電壓的關系2、電力系統的無功損耗 （1）變壓器的無功損耗 變壓器中的無功功率損耗分兩部分，即勵磁支路損耗和繞組漏抗中損耗。其中勵磁支路損耗的百分值基本上等于空載電流的百分值，約為1一2；繞組漏抗中損耗,在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓UK的百分值，約為10。第二節(jié)第二節(jié) 無功功率的平衡無功功率的平衡一、無功功率負荷和無功功率損耗1、無功功率負荷 無功功率負荷是以滯后功率因數運行的用電設備（主要是異步電動機，特別是當異步電動機輕載時，所吸收的無功功率較多。 ）所吸收的無功功率。一般綜合負荷的功率因數為0.6-0.9。 電力線路的無功損耗也分兩部分：并聯電納和串聯

3、電抗中的無功功率損耗。 并聯電納中的無功損耗又稱充電損耗，與電力線路電壓的平方成正比，呈容性。 串聯電抗中的無功功率與負荷電流的平方成正比，呈感性。對線路不長，長度不超過100Km，電壓等級為220Kv電力線路，線路將消耗感性無功功率；對線路較長，其長度為300Km左右時，對220Kv電力線路，線路基本上既不消耗感性無功功率也不消耗容性無功功率，呈電阻性；線路大于300Km時，線路為電容性的。（2）電力線路的無功損耗二、無功功率電源 電力系統的無功功率電源包括同步發(fā)電機、同步調相機、并聯電容器和靜止補償器等。1、同步發(fā)電機 發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，可發(fā)出無功功率：NGNNGNGNtgPSQ

4、sin圖6-1 發(fā)電機的P-Q極限 當系統中無功電源不足，而有功備用容量又較充足時，可利用靠近負荷中心的發(fā)電機降低功率因數運行，多發(fā)無功功率以提高電力系統的電壓水平。但是發(fā)電機的運行點不應越出P-Q極限曲線的范圍。2. 同步補償機（調相機） 它是專門用來生產無功功率的一種同步電機。在過勵磁、欠勵磁的不同情況下，它可分別發(fā)出或吸收感性無功功率。而且，只要改變它的勵磁，就可以平滑地調節(jié)無功功率輸出，單機容量也可以做得較大。通常，它可以直接裝設在用戶附近就近供應無功功率，從而減少輸送過程中的損耗。但由于它是旋轉電機，故有功功率損耗較大。 靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母線上。它供給的無功

5、功率QC值與所在節(jié)點電壓的平方成正比，即：ccXUQ/2缺點：電容器的無功功率調節(jié)性能比較差。優(yōu)點：靜電電容器的裝設容量可大可小，既可集中使 用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量的投資費用較小，運行時功率損耗亦較小，維護也較方便。3、并聯電容器、并聯電容器4. 4. 靜止補償器靜止補償器 靜止補償器是靜止補償器是2020世紀世紀6060年代起發(fā)展起來的一種新型可控的靜止無功年代起發(fā)展起來的一種新型可控的靜止無功補償裝置，它簡稱為補償裝置，它簡稱為SVCSVC。其特點是：利用晶閘管電力電子元件所組成的。其特點是：利用晶閘管電力電子元件所組成的電子開關來分別控制電容器組與電抗器的投切，這樣它的性

6、能完全可以電子開關來分別控制電容器組與電抗器的投切，這樣它的性能完全可以做到和同步補償機一樣，做到和同步補償機一樣，既可發(fā)出感性無功，又可發(fā)出容性無功，并能既可發(fā)出感性無功，又可發(fā)出容性無功，并能依靠自身裝置實現快速調節(jié)，依靠自身裝置實現快速調節(jié)，從而可以作為系統的一種動態(tài)無功電源，從而可以作為系統的一種動態(tài)無功電源，對穩(wěn)定電壓、提高系統的暫態(tài)穩(wěn)定性以及減弱動態(tài)電壓閃變等均能起著對穩(wěn)定電壓、提高系統的暫態(tài)穩(wěn)定性以及減弱動態(tài)電壓閃變等均能起著較大的作用。較大的作用。（1） FC-TCR型靜止補償器（2）TSC-TCR型靜止補償器補償器的原理接線圖圖 TSC-TCR型靜止圖 FC-TCR型靜止（3

7、） 飽和電抗器型靜止補償器三、無功功率的平衡 電力系統無功功率平衡的基本要求：系統中的無功電源可電力系統無功功率平衡的基本要求：系統中的無功電源可以發(fā)出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功以發(fā)出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網絡中的無功損耗。率和網絡中的無功損耗。 0表示系統中無功功率可以平衡且有適量的備用； 0表示系統中無功功率不足，應考慮加設無功補償裝置。resQresQCGGCBLLTLresLLDGCQQQQQQQQQQQ 如前所述，要保持節(jié)點的電壓水平就必須維持無功平衡，因而保持充足的無功電源是維持電壓質量的關鍵。由于負荷的綜合功率因數一般在0.60.9之間

8、，多數在0.70.8之間，加之線路無功損耗約為總無功負荷的25%，變壓器的總無功損耗最多可達總無功負荷的75%。因而，需要由系統中各類無功電源所供給的無功負荷最多可達系統總無功負荷的兩倍左右，而從數量級上看甚至與有功負荷的兩倍相接近。絕大多數電力系統必須采取專門的無功功率補償措施，才能達到維持電壓水平的目的。一、功率損耗的計算一、功率損耗的計算（一）有功功率損耗的計算（一）有功功率損耗的計算1. 線路上的有功功率損耗計算32232232101033103RUSRUSRIPkWRUQP3222102. 變壓器的有功功率損耗的計算20NKTSSPPPkW對三繞組變壓器或三繞組自耦變壓器，其有功功率

9、損耗的計算式為3321232322122221212121010KNKNKNTRUQPRUQPRUQPPPkW 假定有n臺容量和其他參數均相等的變壓器并列運行，如其中每臺的額定容量為SN、總負荷為S，則其總損耗為20NKTnSSPnPnPkW（二）無功功率損耗的計算（二）無功功率損耗的計算1. 線路無功功率損耗計算var10332kXIQvar103222kXUQPQ2. 變壓器的無功功率損耗計算20100%100%NNKNTSSSUSIQvark 如果有n臺容量和其他參數都相同的變壓器并列運行，且總負荷為S時，則總無功損耗為20100%100%NNKNTnSSSUnSInQvarkP124例

10、例6-1第三節(jié) 電力系統的電壓調整一、中樞點電壓管理 電力系統進行調壓的目的，就是要采取各種措施，使用戶處的電壓偏移保持在規(guī)定的范圍內。 由于電力系統結構復雜，負荷較多，如對每個用電設備電壓都進行監(jiān)視和調整，不僅不經濟而且無必要。因此，電力系統電壓的監(jiān)視和調整可通過監(jiān)視、調整電壓中樞點電壓來實現。 電壓中樞點是指某些可以反映系統電壓水平的主要發(fā)電廠或樞紐變電所母線。因為很多負荷都由這些中樞點供電，如能控制住住這些電的電壓偏移，也就控制住了系統中大部分負荷的電壓偏移。于是，電力系統電壓調整問題也就轉變?yōu)楸ＷC各中樞點的電壓偏移不超出給定范圍的問題。P126圖6-11、6-12順調壓：順調壓：負荷變

11、動小，供電線路不長，負荷變動小，供電線路不長，大負荷時允許中樞點電壓低一大負荷時允許中樞點電壓低一些，但不低于線路額定電壓的些，但不低于線路額定電壓的102.5102.5；小負荷時允許其電壓高一些，；小負荷時允許其電壓高一些，但不超過線路額定電壓的但不超過線路額定電壓的107.5107.5的調壓模式?？梢圆捎眠@種調壓方的調壓模式?？梢圆捎眠@種調壓方式。式。常調壓（恒調壓）：常調壓（恒調壓）：負荷變動小，供電線路電壓損耗也較小的網絡，負荷變動小，供電線路電壓損耗也較小的網絡，無論最大或最小負荷時，只要中樞點電壓維持在允許電壓偏移范圍無論最大或最小負荷時，只要中樞點電壓維持在允許電壓偏移范圍內某個

12、值或較小的范圍內（如內某個值或較小的范圍內（如1.025UN1.05UN），就可保證各負），就可保證各負荷點的電壓質量。這種調壓方式荷點的電壓質量。這種調壓方式在任何負荷情況下，中樞點電壓保在任何負荷情況下，中樞點電壓保持基本不變持基本不變。逆調壓：在大負荷時升高電壓，小負荷時降低電壓的調壓方式。逆調壓：在大負荷時升高電壓，小負荷時降低電壓的調壓方式。在最大負荷時可保持中樞點電壓比線路額定電壓高在最大負荷時可保持中樞點電壓比線路額定電壓高5 5，在最小，在最小負荷時保持為線路額定電壓。供電線路較長、負荷變動較大的中負荷時保持為線路額定電壓。供電線路較長、負荷變動較大的中樞點往往要求采用這種調壓

13、方式。樞點往往要求采用這種調壓方式。中樞點的調壓方式分為中樞點的調壓方式分為逆調壓、順調壓和恒調壓逆調壓、順調壓和恒調壓三類。三類。中樞點的調壓方式最大負荷最小負荷逆調壓調為.VN調為VN順調壓不低于.VN不高于.VN常調壓.VN 擁有較充足的無功功率電源是保證電力系統有較好的運行電壓水平的必要條件，但是要使所有用戶的電壓質量都符合要求，還必須采用各種調壓手段。 現以下圖為例，說明常用的各種調壓措施所依據的基本原理：二、電壓調整的基本原理電壓調整原理圖 2121/ )(kVQXPRkVkVkVVNGGi （1）調節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機機端電壓VG；（2）改變變壓器的變比k1、k2；（3）

14、改變功率分布P+jQ（主要是Q），使電壓損耗V 變化；（4）改變網絡參數R+jX（主要是X），改變電壓損耗 V。電壓調整的措施：2121/ )(kVQXPRkVkVkVVNGGi 三 電力系統的幾種調壓方式對于發(fā)電機不經升壓直接供電的小型電力系統，供電線路不長，線路上電壓損耗不大，借改變發(fā)電機端電壓的方法，實行逆調壓，就可以滿足負荷點要求的電壓質量。（一）、改變發(fā)電機機端電壓調壓（一）、改變發(fā)電機機端電壓調壓這種調壓手段是一種不需要耗費投資，且是最直這種調壓手段是一種不需要耗費投資，且是最直接的調壓方法，應首先考慮采用。接的調壓方法，應首先考慮采用。不同類型的供電網絡，發(fā)電機調壓所起的作用是不

15、同的不同類型的供電網絡，發(fā)電機調壓所起的作用是不同的G%10max U%4min U%4max U%6max U%6 . 1min U%4 . 2min U+5%-5%-9%+1%-5%-4%-5.6%+4.4%+2%P128圖6-13 對由發(fā)電機經多級變壓向負荷供電的大中型電力系統，線路較長，供電范圍大，從發(fā)電廠到最遠處的負荷之間的電壓損耗和變化幅度都很大。這時，單靠發(fā)電機調壓是不能解決問題的。P128圖6-14。發(fā)電機調壓主要是為了滿足近處地方負荷的電壓質量要求，即發(fā)電機采用逆調壓方式。對于遠處負荷電壓變動，只能靠其它調壓方式來解決。 對有若干發(fā)電廠并列運行的大型電力系統，利用發(fā)電機調壓，

16、會出現新的問題。首先，當要提高發(fā)電機的電壓時，則該發(fā)電機就要多輸出無功功率，這就要求進行電壓調整的電廠的母線電壓，會引起系統中無功功率的重新分配，這還可能同無功功率的經濟分配發(fā)生矛盾。所以在大型電力系統中發(fā)電機調壓一般只作為一種輔助的調壓措施。改變變壓器的分接頭或采用專門的調壓變壓器來調壓改變變壓器的分接頭或采用專門的調壓變壓器來調壓 通常，改換變壓器分接頭的方式有兩種：一種是在停電的情況下改換分接頭，以兼顧在最大、最小兩種運行方式下電壓偏移不超出允許波動范圍,稱為無勵磁調壓（以往稱為“無載調壓”）。 另一種調壓方式稱為有載調壓，它可以在不停電的情況下去改換變壓器的分接頭，從而使調壓變得很方便

17、。有載調壓變壓器的關鍵部件是有載調壓的分接開關。一般的變壓器只要配用有載分接開關后，就可以作成有載調壓變壓器。（二）、改變變壓器變比調壓 普通雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的普通雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓繞組都留有幾個抽頭供調壓選擇使用，高、中壓繞組都留有幾個抽頭供調壓選擇使用，一般容量為一般容量為6300KVA及以下的變壓器有及以下的變壓器有3個抽頭個抽頭，抽頭電壓分別為抽頭電壓分別為1.05UN、UN、0.95UN,調壓范圍為調壓范圍為+-5%,在在UN處引出的抽頭稱為主抽頭。處引出的抽頭稱為主抽頭。容量在容量在8000KVA及以上的變壓器有及以上的變壓器有5個抽

18、頭，個抽頭，抽頭電壓分抽頭電壓分別為別為1.05UN、 1.025UN、 UN、 0.975UN、 0.95UN,調壓范圍為調壓范圍為+-2*2.5%。1、降壓變壓器分接頭的選擇降壓變壓器KVVVVQXPRVTTTT/ )(/ )(121式中， 是變壓器的變比，即高壓繞組分接頭電壓 和低壓繞組額定電壓 之比。將k代入上式，得高壓側分接頭電壓 當變壓器通過不同的功率時，可以通過計算求出在不同負荷下為滿足低壓側調壓要求所應選擇的高壓側分接頭電壓NtVVk21/tV1NV2NTtVVVVV2211/ )(普通變壓器在運行中不能倒換接頭，只有停運時才能調整，普通變壓器在運行中不能倒換接頭，只有停運時才

19、能調整，因此，因此，必須在投運前選擇好合適的接頭以滿足各種負荷要求。必須在投運前選擇好合適的接頭以滿足各種負荷要求。min22minmin1min1max22maxmax1max1/)(/)(VVVVVVVVVVNttNtt2/ )(min1max11tttavVVV為使最大、最小負荷兩種情況下變電所低壓母線實際電壓偏離為使最大、最小負荷兩種情況下變電所低壓母線實際電壓偏離要求的要求的Uimax，Uimin大體相等，大體相等，分接頭電壓應取的平均值。分接頭電壓應取的平均值。計算最大負荷和最小負荷下所要求的分接頭電壓計算最大負荷和最小負荷下所要求的分接頭電壓根據根據UtI選擇一最接近的分接頭，再

20、按選定的分接頭校驗低壓選擇一最接近的分接頭，再按選定的分接頭校驗低壓母線上的實際電壓能否滿足要求。母線上的實際電壓能否滿足要求。 1、根據最大和最小負荷的運行情況，求出其一次側電壓 和 ，以及通過變壓器的負荷 ， 求取 變壓器的電壓損耗 。2、套用公式計算最大負荷和最小負荷時的分接頭選擇1maxu1minumaxmaxPjQmaxmaxPjQmaxmin,VV1m axm ax1m ax22m axtNVVVVV1minmin1 min22mintNVVVVV基本步驟如下基本步驟如下 ：4、選擇鄰近的接頭作為所選擇的接頭 3、取其算數平均值11 max1 min1()2tttVVV5、套用低壓

21、側電壓計算公式進行驗算1maxmax2max21TNtVVVVV1minmin2min21TNtVVVVVP129 P129 例例6-26-22、升壓變壓器分接頭的選擇選擇升壓變壓器分接頭的方法與選擇降壓變壓器的基本相同升壓變壓器 由于升壓變壓器中功率方向是從低壓側送往高壓側的，故公式中VT前的符號應相反，即應將電壓損耗和高壓側電壓相加。因而有式中， V2為變壓器低壓側的實際電壓或給定電壓； V1為高壓側所要求的電壓。例NTtVVVVV2211)(例：如圖降壓變電所裝設一臺容量為20MVA、電壓為110/11KV的變壓器，要求變壓器低壓側的偏移在大小負荷時分別不超過額定值的2.5%和7.5%，

22、最大負荷為18MVA，最小負荷為7MVA，COS=0.8,變壓器高壓側的電壓在任何運行情況下均維持107.5KV,變壓器參數為Uk%=10.5,Pk=163KW, 勵磁影響不計。試選擇變壓器的分接頭。3、三繞組變壓器分接頭的選擇 將高低繞組看作雙繞組，確定高繞組接頭； 將高中繞組看作雙繞組，確定中繞組分接頭位置。注意：功率分布4、有載調壓變壓器 有載調壓變壓器可以在帶負荷的條件下切換分接頭而且調節(jié)范圍也比較大，一般在15%以上。 目前我國暫定，110kV級的調壓變壓器有7個分接頭，即VN32.5%；220kV級的有9個分接頭即VN42.0%。 采用有載調壓變壓器時，可以根據最大負荷算得的V1t

23、max值和最小負荷算得的V1tmin 分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。 有載調壓變壓器接線圖 上述的上述的調節(jié)發(fā)電機端電壓或調節(jié)變壓器分接頭的調壓方式調節(jié)發(fā)電機端電壓或調節(jié)變壓器分接頭的調壓方式，只，只有在電力系統有在電力系統無功電源充足無功電源充足的條件下才是行之有效的。的條件下才是行之有效的。 （三）改變電力網無功功率分布調壓（三）改變電力網無功功率分布調壓因此，當電力系統的因此，當電力系統的無功電源不足時無功電源不足時，就必須在適當的地點，就必須在適當的地點裝設新裝設新的無功電源的無功電源對所缺的無功進行補償，只有這樣才能實現調壓的目的對

24、所缺的無功進行補償，只有這樣才能實現調壓的目的，別無其他選擇。，別無其他選擇。當系統無功電源不足時，為了防止發(fā)電機因輸出過多的無功功率而嚴重當系統無功電源不足時，為了防止發(fā)電機因輸出過多的無功功率而嚴重過負荷，往往不得不降低整個電力系統的電壓水平，以減少無功功率的過負荷，往往不得不降低整個電力系統的電壓水平，以減少無功功率的消耗量，這時如采用調節(jié)變壓器分接頭等方法盡管可以局部地提高系統消耗量，這時如采用調節(jié)變壓器分接頭等方法盡管可以局部地提高系統中某些點的電壓水平，但這樣做的結果反而增加了無功功率的損耗，迫中某些點的電壓水平，但這樣做的結果反而增加了無功功率的損耗，迫使發(fā)電機不得不進一步降壓運

25、行，以限制系統中總的無功功率消耗，從使發(fā)電機不得不進一步降壓運行，以限制系統中總的無功功率消耗，從而導致整個系統的電壓水平更為低落，形成了電壓水平低落和無功功率而導致整個系統的電壓水平更為低落，形成了電壓水平低落和無功功率供應不足的惡性循環(huán)，甚至導致電壓崩潰。供應不足的惡性循環(huán)，甚至導致電壓崩潰。按調壓要求選擇無功補償設備容量1、并聯無功補償調壓的基本原理2、按調壓要選擇補償量的基本原理 22UXQQPRU：UQXPRU：TCTTT后前221UQXPRUUTT221CTCTCUXQQPRUUU2為補償前歸算到高壓側的變電所低壓母線電壓第二項很小 于是有2222CTCTCTTUXQQPRUUQX

26、PRU22222UQXPRUQXPRUUXUQTTCTTCTCC222UUXUQCTCC22222222UUXUKKUUXUKQCTCCTCC 根據調壓要求，按最小負荷時沒有補償確定變壓器變比 1minmin122()tNrVVVVV 按最大負荷時的調壓要求選擇補償容量 22 max2max2 max()cccVVQVkxk 校驗實際電壓是否滿足要求選用并聯電容器通常在大負荷時降壓變電所電壓偏低，小負荷時電壓偏高。電容器只能發(fā)出感性無功功率以提高電壓，但電壓過高時卻不能吸收感性無功功率來使電壓降低。為了充分利用補償容量，在最大負荷時電容器應全部投入，在最小負荷時全部退出。 由于減小電阻將增加導

27、線材料的消耗，加之QX/U這一項對電壓損耗的影響更大，所以目前一般都著眼于減低電抗X以降低電壓損耗。（1）改變R：增大導線截面積，可降低電壓損耗，同時降低網 損. 用于10kv及以下線路。 （2）改變X：串聯電容，多用于35kv及以上線路. 減少線路電抗的一種有力的措施是采用串聯電容補償，它的原理可示意如圖所示。 從電壓損耗的計算公式可知，改變輸電線路電阻R和電抗X，都可以達到改變電壓損耗的目的。（四）改變輸電線路的參數進行調壓（四）改變輸電線路的參數進行調壓利用下式求出所需串聯的電容器的電抗值為1111QUUUXC相應的電容器組的容量為CCCXUQPXIQ21212123圖 串聯電容補償原理

28、（1）要求各類用戶將負荷的功率因數提高到現行規(guī)程規(guī)定的參數。 （2）改變發(fā)電機勵磁，可以改變發(fā)電機輸出的無功功率和發(fā)電機的端電壓 。（3）根據無功功率平衡的需要，增添必要的無功補償容量，并按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。 （4）當系統的無功功率供應比較充裕時，各變電所的調壓問題可以通過選擇變壓器的分接頭來解決。（5）在整個系統無功不足的情況下，不宜采用調整變壓器分接頭的辦法來提高電壓。 （6）對于10kV及以下電壓等級的電網，由于負荷分散、容量不大，按允許電壓損耗來選擇導線截面是解決電壓質量問題的正確途徑 。四、各種調壓措施的合理應用小結小結 通過改變電網電壓水平實現調壓： 1 改變發(fā)電機端電壓調壓 ：用于地方性電網. 2 改變變壓器變比調壓 ：用于系統無功充足時。 其實質時改變電壓無功分布調壓. 3 增設無功補償設備調壓：當系統無